Swim-and-Breach at Palm Scale: A Rudder-Steered Two-Propeller Underwater Robot Platform with Differential-Thrust Pitch Control

A natureza há muito domina a arte de transitar entre mundos. Os peixes não apenas nadam; eles saltam. Para escapar de um predador, ultrapassar uma queda de água ou capturar uma presa no ar, um peixe deve inclinar o nariz para cima, acelerar com um surto súbito de potência e manter esse ângulo íngreme até romper a superfície da água. Essa manobra exige um equilíbrio delicado de forças: a capacidade de gerar uma imensa propulsão em um instante, a precisão para controlar seu ângulo ao sair da água e a estabilidade para manter seu trajeto reto contra a turbulência caótica da superfície. Por décadas, engenheiros construíram robôs subaquáticos que podem nadar com velocidade impressionante ou imitar a ondulação graciosa de um peixe, mas poucos conseguiram replicar com sucesso este ato específico de deixar a água. A maioria das máquinas subaquáticas é projetada para permanecer submersa, e aquelas que tentam saltar frequentemente carecem de controle para fazê-lo de forma confiável, tombando fora de alinhamento ou falhando em ultrapassar a superfície inteiramente.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade do Colorado Boulder construiu agora um pequeno robô que resolve este problema, criando uma máquina capaz de nadar debaixo d'água, saltar no ar e pousar de volta na água com a mesma fluidez de um peixe. O dispositivo tem o tamanho da palma de uma mão, medindo apenas 65 milímetros de comprimento e pesando apenas 34 gramas, mas realiza uma sequência complexa de ações que desafia os limites do que robôs subaquáticos pequenos podem fazer. Ao empilhar duas hélices verticalmente e adicionar um leme de cauda, a equipe criou uma plataforma que pode não apenas nadar a velocidades de 13,9 comprimentos de corpo por segundo, mas também inclinar o nariz para uma posição vertical em menos de um segundo. Quando ele lança, ultrapassa um obstáculo de 1,6 comprimentos de corpo de altura e viaja 3,7 comprimentos de corpo horizontalmente antes de cair na água. Em um fluxo natural de água corrente, o robô conseguiu saltar ainda mais alto, atingindo 2,8 comprimentos de corpo acima da superfície, provando que seu design funciona mesmo nas condições desordenadas e imprevisíveis do mundo real.

O segredo do sucesso deste robô reside em como ele mimetiza a física de um peixe sem copiar sua forma exatamente. Em vez de usar uma cauda que bate, o que é difícil de controlar para surtos repentinos de velocidade, os pesquisadores escolheram hélices. Eles montaram dois pequenos motores de alta velocidade um acima do outro dentro de um corpo à prova d'água e impresso em 3D. Ao girar a hélice superior mais rápido que a inferior, ou vice-versa, o robô pode inclinar o nariz para cima ou para baixo com grande precisência. Esta propulsão diferencial atua como uma alavanca, permitindo que o robô mude seu ângulo rapidamente. Para evitar que o robô gire lateralmente enquanto se move, eles adicionaram um pequeno leme de cauda entre as duas hélices. Este leme atua como o leme de um barco, direcionando o robô para a esquerda ou direita para mantê-lo em um caminho reto. O próprio corpo tem o formato de um aerofólio aerodinâmico, um design emprestado da aviação que permite que a água flua suavemente sobre sua superfície. Simulações computacionais mostraram que este formato reduz o arrasto em cinco vezes em comparação com uma caixa simples do mesmo tamanho, permitindo que o robô se mova mais rápido e use menos energia.

Os pesquisadores testaram o robô primeiro em um tanque de água de laboratório, onde puderam medir cada movimento com câmeras de alta velocidade e sensores. Eles programaram o robô para seguir uma série de comandos: nadar em linha reta, inclinar o nariz para cima em um ângulo específico, acelerar em direção à superfície e, então, saltar. O computador embarcado do robô verifica constantemente sua orientação usando um sensor que mede rotação e gravidade, ajustando a velocidade das duas hélices centenas de vezes por segundo para manter o curso. Nestes testes, o robô conseguiu manter um ângulo de inclinação constante mesmo quando os pesquisadores o tocaram para simular uma perturbação, corrigindo sua posição em um segundo. Quando o robô estava pronto para o salto, ele inclinava o nariz para 65 graus, acelerava e irrompia através da água. Sem o leme, o robô frequentemente torcia lateralmente ao sair da água, perdendo sua direção. Com o leme acionado, ele permanecia perfeitamente alinhado, disparando direto para cima e para frente.

A equipe levou então o robô para fora do laboratório e para o Boulder Creek, um riacho natural com água corrente e turbulência. Aqui, o desafio era muito maior. A água corrente tentava empurrar o robô para fora do curso, e a superfície estava agitada. Apesar dessas condições, o robô executou o salto com sucesso. Ele nadou contra a corrente, inclinou o nariz e lançou-se para fora da água, atingindo uma altura de 2,8 comprimentos de corpo. Quando o leme foi desligado durante estes testes externos, o robô falhou em manter seu caminho, girando descontroladamente e pousando longe de seu alvo pretendido. Isso confirmou que o leme era essencial para a estabilidade, não apenas na calma de um tanque, mas no ambiente dinâmico de um rio real. A capacidade do robô de realizar toda esta sequência — nadar, inclinar, saltar e retornar — demonstra um novo nível de agilidade para pequenas máquinas subaquáticas.

Este trabalho sugere que pequenos robôs poderiam em breve ser usados para inspecionar áreas que são atualmente inacessíveis para eles. Muitos sistemas subaquáticos, como tubulações, barragens e estruturas inundadas, possuem barreiras como vertedouros ou lacunas secas entre piscinas que impedem o movimento frontal de um robô. Uma máquina que pode nadar debaixo d'água e então saltar sobre esses obstáculos poderia navegar através de ambientes complexos, inspecionando infraestruturas ou monitorando a qualidade da água em lugares onde era anteriormente impossível ir. Os pesquisadores observam que o protótipo atual ainda está conectado a uma fonte de energia por um cabo fino, mas os princípios que demonstraram fornecem um modelo para futuras versões sem cabos. Ao refinar o tamanho da bateria e o design da hélice, uma versão totalmente autônoma poderia, um dia, saltar de piscina em piscina, explorando os cantos ocultos de riachos e sistemas industriais com a mesma facilidade do peixe que a inspirou.